Ce projet de recherche propose une loi de commande robuste à temps discret pour le vol en formation de satellites sur une orbite excentrique avec le modèle de Lawden. La loi de commande robuste utilisée pour reconfigurer et maintenir la cohésion d'une formation artificielle de satellites est un asservissement H[indice inférieur [infini]] à échelonnement des gains. Le compensateur est à temps discret, avec une stabilité garantie par la [mu]-analyse et un temps d'échantillonnage réaliste.Ce compensateur est obtenu par une bonne sélection des fonctions de pondération qui minimise l'erreur en position relative avec un effort de commande similaire et par un algorithme de synthèse H[indice inférieur [infini]] qui impose une contrainte stricte sur le placement des pôles en boucle fermée du système. De plus, le compensateur à échelonnement des gains est formé d'une interpolation de type spline qui permet de conserver l'optimalité de la synthèse des lois de commandes.

Lors du développement d'un système contrôlé par ordinateur, il y a traditionnellement une séparation forte entre les conceptions de la loi de commande et de l'ordonnancement des tâches du calculateur. Dans les systèmes embarqués, où les ressources sont limitées et variables, cette séparation rigide conduit à une sous utilisation du processeur. Pour améliorer l'interaction commande/ordonnancement, nous proposons d'adapter les ressources nécessaires au calcul des lois de commande en agissant sur leur période. Nous présentons tout d'abord une structure d'ordonnancement régulé. La contribution principale concerne ensuite le développement d'une méthodologie de synthèse d'une loi de commande à période d'échantillonnage variable basée sur une approche de type Hinfini dédiée aux systèmes linéaires à paramètres variants. Les performances de cette loi de commande ainsi que son interaction avec l'ordonnancement sont illustrées en simulation et sur un procédé expérimental.

La chirurgie laparoscopique conventionnelle apporte des avantages aux patients mais pose des défis aux chirurgiens. Utiliser le robot permet de surmonter certaines des difficultés. Nous utilisons ici le concept de comanipulation, où un bras robotique sert de comanipulateur et génère des champs de force pour aider les chirurgiens. Pour implémenter des fonctions telles que la compensation de la gravité de l’instrument, il est utile de connaître la position du trocart en temps réel par rapport à la base du robot. Nous proposons un algorithme de détection et localisation de trocarts, basé sur la méthode du moins carré. Des expériences in vitro et in vivo valident son efficacité. Considérant des caractéristiques de la chirurgie laparoscopique, i.e., de l’espace de travail grand et de la difficulté de planifier le geste, des champs visqueux sont utilisés. Afin de s’adapter aux mouvements différents, nous utilisons une loi de commande de viscosité variable. Cependant, elle rencontre un problème d’instabilité, qui est analysé théoriquement et expérimentalement. Une solution d’ajout d’un filtre passe-bas de premier ordre est proposée, dont l’efficacité est mise en évidence par une expérience de ciblage point à point. Avec la position du trocart connue, nous pouvons établir «le modèle de levier», une formule décrivant la relation entre les vitesses et les forces appliquées à différents points de l’instrument. Ceci permet de mettre en œuvre une loi de commande de viscosité sans utiliser de signaux bruités, au point de centre de la poignée ou la pointe de l’instrument. Une expérience est menée pour comparer l’influence de la loi de commande sur les comportements de mouvement humain. / Traditional laparoscopic surgery brings advantages to patients but poses challenges to surgeons. The introduction of robots into surgical procedures overcomes some of the difficulties. In this work, we use the concept of comanipulation, where a 7-joint serial robotic arm serves as a comanipulator and generates force fields to assist surgeons.In order to implement functions like instrument gravity compensation, identifying real-time trocar position with respect to robot base is a prerequisite. Instead of obtaining trocar information from the registration step, we propose a robust trocar detection and localization algorithm based on least square method. Both in-vitro and in-vivo experiments validate its efficiency.Considering the characteristics of laparoscopic surgery, i.e., relatively large workspace and flexible operating objects, viscous fields are employed. To better adapt to different motion, we use a variable viscosity controller. However, this controller encounters an instability problem, which is analyzed both theoretically and experimentally. A solution of adding a first order low pass filter is proposed to slow down the variation of the viscosity coefficient, whose efficiency is evidenced by a point-to-point targeting experiment.With real-time trocar position known, the “lever model”, a formula describing therelationship of the velocities and forces of different instrument points, can be established. This allows implementing viscosity controller without using noisy signals at the center points of instrument handle and tip. Another point-to-point movement experiment is conducted to compare the features of the controller influence on human motion behaviors.

De nos jours, les exigences de productivité et de maîtrise des coûts ont incité les industriels à développer de nouvelles machines, et avec elles, de nouveaux enjeux sont apparus : souplesse de la structure, vibration, effets dynamiques non-négligeables, etc. Pourtant, leur mise en œuvre est toujours issue de méthodes employées pour les machines conventionnelles. Ces travaux s’intéressent donc à la définition de stratégies globales englobant la prise en compte de la structure utilisée et de la tâche à réaliser, appliquée à deux contextes d’illustration. Dans le contexte de l’usinage, nous proposons un réglage des machines basé sur le modèle comportemental de la structure qui ne nécessite que peu de modifications manuelles et permettant un gain de temps pour la mise en œuvre. Une nouvelle loi de commande en couple calculé est également proposé, elle permet de réduire les phénomènes vibratoires lors de phases dynamiquement exigeantes. Dans le contexte des essais mécaniques, l’objectif est de montrer la faisabilité de l’utilisation de machines parallèles à 6 degrés de liberté dans le cadre d’essais dont la gestion des conditions aux limites est critique. Nous proposons une instrumentation et un schéma de commande qui permettent de respecter les consignes avec une erreur maximale de l’ordre de 0.40μm, même dans le cas d’éprouvettes très rigide (en béton par exemple). / Nowadays, the requirements in productivity and costs mastering have forced the industrial manufacturers to develop new kind of mechanisms. Thus, the complexity of the machine-tools structures and machining processes has increased and new challenges have emerged : flexible structure, vibration, non-negligible dynamic effects, etc ... However, their implementation still comes from methods used for conventional machines. These works are thus about defining overall strategies including consideration of the kind of structure used and the task to realise. Two illustrative contexts are used. In the context of machining, we propose a generic tuning method based on kinematic and dynamic model of machine-tools structure that requires only a few manual modifications, in order to save time for implementation. A new computed torque control law is proposed, it reduces vibration phenomena in dynamical demanding phases. In the context of the mechanical tests, the objective is to demonstrate the feasibility of using parallel machines with 6 degrees of freedom in the context of mechanical tests, whereas the boundary conditions are perfectly controlled. We propose an instrumentation and control scheme that is able to perform mechanical tests with a maximum error of about 0.40 mu m, even in the case of very rigid specimen (concrete for example).

Les travaux présentés ici proposent des convertisseurs d’énergie à haut rendement et très large dynamique de tension d’entrée, c'est-à-dire capables de fonctionner avec un rendement énergétique élevé sur une plage de tension d’entrée étendue (typiquement de 9V à 200V). De multiples tensions de réseaux sont standards dans l’industrie : elles sont spécifiques à un domaine (aéronautique, ferroviaire, …) et dépendent de la source primaire d’alimentation électrique (batterie d’accumulateurs, génératrice, …). Au sein d’un équipement embarqué, plusieurs réseaux peuvent cohabiter : une alimentation principale 110V et une alimentation de secours sur batterie 12V, par exemple. Le besoin de convertisseurs large dynamique d’entrée est donc une réalité, mais il n’existe sur le marché que peu de convertisseurs capables de réaliser une dynamique d’entrée supérieure à dix. Dans un premier temps, nous avons étudié les enjeux et les problématiques liés à la large dynamique d’entrée, afin de mieux cerner les limitations des topologies de puissance classiques. Nous avons ensuite traité le cas d’une architecture de conversion d’énergie de type série, dont nous avons amélioré le rendement énergétique grâce à l’utilisation de circuits d’aide à la commutation. Cette solution ayant des performances limitées, nous avons proposé de nouvelles architectures de convertisseurs DC/DC, de type parallèle, capables de supporter des dynamiques de tension d’entrée supérieures à vingt et ayant un rendement énergétique élevé (supérieur à 80%). Nous avons également étudié et mis en œuvre des stratégies de commande, numériques et analogiques, permettant de contrôler ces nouvelles topologies complexes. / Power converters are present in virtually every embedded system, but many standards of DC networks exist: the supply voltage is depending on how the power is generated (battery, alternator …) and can range from 12V to more than 115V. When an equipment must comply with a 110V main supply and 12V back-up supply, the use of a wide input voltage range DC/DC converter is mandatory. Since classical switched mode power converters cannot achieve simultaneously high efficiency and wide input voltage range, manufacturers rarely propose DC/DC converters with an input voltage range greater than 10. This work tackles the issue of wide input voltage power conversion. After discussing about designs trade off and problems that stem from a wide input range, we try to improve the overall efficiency of a classical buck-boost converter, by using non dissipative switching-aid circuits. We also proposed a novel two stages power converter capable of dealing with very wide input voltage ranges (more than 20), without a reduction of the power efficiency. Since those new converters are far more difficult to control, some theoretical analysis was performed and some practical tests were done using complex controls laws.

Les systèmes multi-agents (MAS) et la commande coopérative ont fait l'objet de nombreuses recherches ces dernières années. Les domaines d'application sont très diverses et dans le cas des systèmes multi-véhicules, des approches ont été développées pour des unmanned air vehicles (UAVs), satellites, avions... Les types de missions envisagées sont des missions complexes telles l’exploration ou la surveillance de zones, la recherche et le suivi de cibles d'intérêt. Cependant, la coopération requière des échanges de communication entre les agents. Lorsque ceux-ci sont nombreux, cet échange peut conduire à des saturations du réseau, à l'augmentation des délais de transmission ou l’occurrence de pertes de paquets, d'où l'intérêt de réduire le nombre de communication. Dans les méthodes event-triggered, une communication est envoyée quand une condition, basée sur des paramètres choisis et un seuil prédéfini, est remplie. La principale difficulté est de définir une condition qui permettra de limiter les échanges sans dégrader l'exécution de la mission choisie. Dans le cas d'un système distribué, chaque agent doit maintenir une estimation de la valeur de l'état des autres agents afin de remplacer l'absence d'informations due à la communication réduite. L'objectif de cette thèse est de développer des lois de commandes et des estimateurs distribuées pour un système multi-agent afin de réduire le nombre de communication par méthode event-triggered, tout en prenant en compte la présence de perturbations. L'étude est divisée en deux grandes parties. La première décrit une méthode de communication event-triggered permettant de converger vers un consensus pour un système multi-agents de modèle d'évolution dynamique linéaire généralisée et en présence de perturbations d'état. Pour réduire les communications, un estimateur précis de l'état des agents est proposé, couplé à un estimateur de l'estimation de l'erreur, ainsi qu'un protocole de communication adapté. En prenant en compte la commande appliquée à chaque agent, l'estimateur proposé permet d'obtenir un consensus avec un nombre bien inférieur de communication que de la méthode de référence dans l'état de l'art. La seconde partie propose une stratégie de réduction de communication pour une commande de vol en formation permettant de suivre une trajectoire de référence. La dynamique des agents est décrite par un système Euler-Lagrange incluant des perturbations et des méconnaissances sur les paramètres du modèle. Différentes structures d'estimateurs sont proposées pour reconstruire les informations manquantes. La condition d'event-triggered distribuée proposée est basée sur l'écart relatif entre les positions et vitesses réelles et désirées des agents, ainsi que l'erreur relative entre la valeur estimée de l'état de l'agent et la valeur réelle. Une trajectoire de référence unique est déterminée pour guider la flotte. L'effet des perturbations sur la formation et la communication a été analysé. Enfin, les méthodes proposées ont été adaptées pour tenir compte des dégradations de performances dues aux pertes de données et aux délais de communication. Pour les deux types d'approches présentées les conditions de la stabilité du MAS ont été obtenues par l'intermédiaire de fonctions de Lyapunov et l'absence de paradoxe de Zeno a été étudiée. / A large amount of research work has been recently dedicated to the study of Multi-Agent System and cooperative control. Applications to mobile robots, like unmanned air vehicles (UAVs), satellites, or aircraft have been tackled to insure complex mission such as exploration or surveillance. However, cooperative tasking requires communication between agents, and for a large number of agents, the number of communication exchanges may lead to network saturation, increased delays or loss of transferred packets, from the interest in reducing them. In event-triggered strategy, a communication is broadcast when a condition, based on chosen parameters and some threshold, is fulfilled. The main difficulty consists in determining the communication triggering condition (CTC) that will ensure the completion of the task assigned to the MAS. In a distributed strategy, each agent maintains an estimate value of others agents state to replace missing information due to limited communication. This thesis focuses on the development of distributed control laws and estimators for multi-agent system to limit the number of communication by using event-triggered strategy in the presence of perturbation with two main topics, i.e. consensus and formation control. The first part addresses the problem of distributed event-triggered communications for consensus of a multi-agent system with both general linear dynamics and state perturbations. To decrease the amount of required communications, an accurate estimator of the agent states is introduced, coupled with an estimator of the estimation error, and adaptation of communication protocol. By taking into account the control input of the agents, the proposed estimator allows to obtain a consensus with fewer communications than those obtained by a reference method. The second part proposes a strategy to reduce the number of communications for displacement-based formation control while following a desired reference trajectory. Agent dynamics are described by Euler-Lagrange models with perturbations and uncertainties on the model parameters. Several estimator structures are proposed to rebuild missing information. The proposed distributed communication triggering condition accounts for inter-agent displacements and the relative discrepancy between actual and estimated agent states. A single a priori trajectory has to be evaluated to follow the desired path. Effect of state perturbations on the formation and on the communications is analyzed. Finally, the proposed methods have been adapted to consider packet dropouts and communication delays. For both types of problems, Lyapunov stability of the MAS has been developed and absence of Zeno behavior is studied.

Les systèmes électro-hydrauliques sont largement utilisés dans l’industrie pour des contrôles de position ou d’effort. Cependant, à cause des non-linéarités du système électro-hydraulique, il est difficile d’établir un modèle précis valable sur une large bande de fréquences et de grands mouvements. Le travail de cette thèse concerne un banc d’essai électro-hydraulique qui comporte trois composants hydrauliques principaux, à savoir deux servovalves haute performance, un vérin à double tige, et une embase spécifique qui relie les servovalves et le vérin. Ce banc d’essai a été conçu pour tester des composants aéronautique et automobile dans des conditions réelles (par exemple, tests d'usure ou de vieillissement). Le premier objectif principal de cette thèse concerne la mise en œuvre d’un prototype virtuel basé sur un modèle précis issu de considérations physiques et d'un travail expérimental afin d'identifier les paramètres et de valider le réalisme du prototype virtuel. Le deuxième objectif est d'élaborer des lois de commande non-linéaires sophistiquées avec une large plage de fonctionnement et une bonne robustesse aux perturbations. Le modèle proposé basé sur le Bond Graph montre une très bonne adéquation entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux non seulement en basses fréquences, mais également en fréquences élevées. En particulier, les performances en hautes fréquences sont nettement améliorées par l'introduction des effets dynamiques liés à l’embase. En outre, des lois de commande, respectivement basées sur le backstepping et sur la commande sans modèle, ont été élaborées et mises en œuvre sur le banc d’essai. Toutes les lois de commande proposées ont été validées à la fois en simulation et expérimentalement. Les résultats montrent qu’ils conduisent à de meilleures performances en suivi de position et en robustesse par rapport aux lois de commande classiques. / Hydraulic systems are widely applied in industry for position or force control. However, due to hydraulic system nonlinearities, it is difficult to achieve a precise model valid over a large range of frequencies and movements. The work in this dissertation focuses on a high performance hydraulic test bench which involves three main hydraulic components, i.e. two high performance servovalves, a double rod actuator, and a specific intermediate block connecting the servovalves and actuator. This rig has been designed for testing aerospace or automotive components in real conditions (e.g. wear and ageing effects). The main objectives of this dissertation are first the development of a virtual prototype based on a precise model which is derived from the physical principles and experimental works, and then second the synthesis of several nonlinear control laws of this actuation system in a large operating range with a good robustness to the perturbations. The proposed model based on Bond Graph shows a very good agreement with experimental results not only at low frequencies, but also at high frequencies. Moreover, its performances are improved at high frequencies by introducing the dynamic effects due to the intermediate block. Besides, multivariable and monovariable control strategies, based on respectively the backstepping and the model-free method, are developed and implemented on the test bench. All the control strategies proposed have been validated by simulations and experiments. Results show they lead to better tracking precision and robustness performance compared to the conventional control techniques.

Je présente dans ce document mes résultats de recherche sur la conception sûre de systèmes embarqués sûrs. La première partie concerne la répartition automatique de programmes synchrones. Le caractère automatique de la répartition apporte un réel degré de sûreté dans la conception de systèmes répartis car c'est la partie la plus délicate de la spécification qui est automatisée. Grâce à cela, l'absence d'inter-blocage et l'équivalence fonctionnelle entre le programme source centralisé et le programme final réparti peuvent être formellement démontrées. La deuxième partie traite le sujet de l'ordonnancement et de la répartition de graphes de tâches flots-de-données sur des architectures à mémoire répartie, avec contraintes de tolérance aux fautes et de fiabilité. Je présente principalement des heuristiques d'ordonnancement statique multiprocesseur avec pour but la tolérance aux fautes et la fiabilité des systèmes, mais également l'utilisation de méthodes formelles telles que la synthèse de contrôleurs discrets ou les transformations automatiques de programmes. Enfin, la troisième partie concerne les autoroutes automatisées, avec deux volets : la commande longitudinale de véhicules autonomes et les stratégies d'insertion dans les autoroutes automatisées.